STRUCTURA LANŢULUI BIOELECTROMETICInstrumentaţia biomedicală exploratorie reprezintă ansamblul de dispozitive, aparate şi

instrumente de măsură destinate scopului de captare, prelucrare, stocarea şi cuantificare diverselor tipuri de biosemnale.

Instrumentaţia biomedicală exploratorie este utilizată în următoarele direcţii:• mijloc complementar în stabilirea diagnosticului clinic;• mijloc de control periodic al stării de sănătăte (screening);• mijloc de control al eficienţei terapeutice şi a gradului de recuperare şi adaptare funcţională;• stabilirea performanţelor fizice şi mentale, a capacităţii de muncă şi a orientării profesionale;• monitorizarea de durată a funcţiilor fiziologice, intra- şi post - operator (terapie intensivă);• înregistrarea, prelucrarea statistică şi matematică, arhivarea şi regăsirea datelor medicale şi

sanitare;• cercetarea biomedicală

Clasificarea instrumentaţiei biomedicale se face în funcţie de mai multe criterii: 1. în funcţie de mărimile ce trebuiesc culese: mărimi neelectrice (termice, mecanice, optice,

sonore etc.), şi mărimi bioelectrice (pasive, active) cum ar fi: diferenţe de potenţial, rezitenţe, intensităţi etc,

2. în funcţie de metodele de culegere utilizate: invazive şi neinvazive;3. în funcţie de mijloacele de achiziţie şi prelucrare folosite: analogice sau/şi digitale.

Măsurarea unor mărimi asociate diverselor activităţi biologice folosind aparatura electronică se realizează prin interconectarea următoarelor elemente:

• mijloace de captare;•• circuite de amplificarea şi/sau prelucrare;• sisteme de afişaj;

Toate acestea constituie lanţul de măsură biomedical denumit şi bioelectrometric.

Fig. 2.1: Schema bloc a lanţului bioelectrometric.În raport cu obiectivul măsurărilor propuse asupra sistemului biologic, acestea pot fi efectuate în următoarele condiţii:

• condiţii obişnuite în care se află sistemul;• condiţii modificate prin diverse procedee (stimulare electrică, injectare de substanţe,

modificarea condiţiilor de microclimă şi alimentaţie etc.).Activităţile bilogice măsurabile pot fi de natură electrică sau neelectrică.

Pentru semnalele biologice de natură electrică - evaluarea unor mărimi electrice (diferenţe de potenţial, rezistenţe, etc.) – captarea semnalelor se realizează cu ajutorul electrozilor.

11

Pentru semnale biologice de natură neelectrică - evaluarea unor mărimi neelectrice (debit, presiune, temperatură, etc.) – captarea semnalelor se realizează folosind diferite tipuri de traductoare (dispozitive care preiau mărimi de natură neelectrică şi le convertesc (transformă) în semnale electrice care sunt apoi evaluate prin aparatură adecvată.

Mijloacele de captare trebuie să îndeplinească următoarele condiţii:•• să nu afecteze fenomenul studiat sau dacă acest lucru nu este posibil modificăriele aduse

fenomenului de cercetat să fie minime;• să fie uşor manevrabile şi să poată fi amplasate fără dificultăţi în locuri convenabile testării

dorite;• să nu irite sau să distrugă organismul viu cu care intră în contact;• să respecte normele de sterilizare, în cazul în care acestea se impun;• să prezinte o mare capacitate de protecţie faţă de interferenţele exterioare de natură electrică,

mecanică, electromagnetică, electrochimică;• să fie biocompatibili cu organul studiat;• să aibă o bună stabilitate în timp.

Mijloace de captare a biosemnalelor – ELECTROZIProcesele care au loc în ţesuturile vii sunt procese chimice la care participă un electrolit.

Culegerea diferenţelor de potenţial generate de activităţile din celule şi ţesuturi se realizează cu electrozi. Electrodul reprezintă un conductor electric împreună cu electrolitul cu care este pus în contact. El este legătura conductoare între o sursă de semnal bioelectric şi un dispozitiv care reproduce sau prelucrează un curent sau o tensiune captată. Principala caracteristică a electrozilor este capacitatea lor de a transporta electronii.

Conducţia electrică în electroliţi (ţesuturi) este ionică iar conducţia electrică în electrozi este electronică. La interfaţa electrod electrolit au loc fenomene care transformă conducţia ionică în conducţie electronică.

Potenţialul de electrodDoi electrozi de culegere a biopotenţialelor sunt în contact electric prin electrolitul interpus

între ei. Când cei doi electrozi sunt uniţi în exteriorul electrolitului cu un conductor electric, prin acesta circulă un curent electric, adică circulă electroni de la electrodul negativ la electrodul pozitiv. La suprafaţa de contact dintre electrod şi electrolitul cu care este în contact apare o diferenţă de potenţial numită potenţial de electrod. Forţa electromotoare a sistemului de doi electrozi - electrolit este egală cu diferenţa algebrică a potenţialelor celor doi electrozi.

La orice suprafaţă de contact electrod – electrolit există tendinţa de difuzie a electronilor din metal spre electrolit şi de difuzie a ionilor din electrolit spre metal, în sensul stabilirii echilibrului chimic.Potenţialul de electrod apare ca urmare a reacţiilor de oxido-reducere de la interfaţa electrod - electrolit. Reacţia de oxidare este definită ca o pierdere de electroni, iar recaţia de reducere ca un câştig de electroni. Deci se por oxida metale (electrozi metalici, anioni sau molecule neutre din electrolit) şi se pot reduce nemetale, catioi sau molecule neutre. Orice oxidare este însoţită de o reducere. Când un reactant se oxidează, o cantitate echivalentă din alt reactant se reduce. Reactantul care se oxidează este un agent reducător, iar cel care se reduce este un agent oxidant. Din cauza reactiilor de oxido-reducere, la interfaţa electrod - tesut ia naştere un strat dublu electric de sarcini, care are o distribuţie, într-un spaţiu de dimensiuni atomice, în funcţie de activitatea electrolitului şi uşurinţa cu care metalul electrodului transferă electroni spre electrolit. În fig. 2.2 sunt prezentate câteva configuraţii de distribuţie a sarcinilor şi a potenţialului în stratul dublu electric.

22

Fig. 2.2: Distribuţia de sarcini electrice şi distribuţia potenţialului electric la interfaţa electrod – electrolit (după Geddes): a Helmholtz (1979); b. Gouy (1910); c. Stern (1924);

d. Geddes (1972)

Din punctul de vedere al electrolitului, conductia este dată atât de ioni: pozitivi, cât şi de ionii negativi. Starea ideală, în care ionii de semn contrar nu se influenţează reciproc, este o stare limită, atinsă numai la diluţie infinită. În ţesuturi, concentratia C a fiecarei substanţe este finită şi numai o fracţiune f din numărul total de ioni de acelaşi tip este disponibilă pentru a determina transportul electric sau alte proprietăţi ale substanţelor în soluţie.

Reacţiile chimice implicate în procesele biologice sunt deseori foarte sensibile la concentraţia ionilor de hidrogen ai mediului.O soluţie apoasă este neutră când concentraţiile ionilor de hidrogen şi ale ionilor de hidroxil sunt egale şi aceasta are loc pentru pH = 7; soluţia apoasă este acidă când pH < 7 şi bazică atunci când pH > 7. Pentru electrolitul complex al orgamsmului uinan, punctul neutru (de echivalenţă sau punct izoelectric, când numarul ionilor de hidrogen H+ este echivalent cu numărul ionilor de hidroxil HO-) este la pH = 6,75 (temperatura 37 °C). Sângele are pH = 7,36, deci se comportă slab bazic (ca şi alte lichide din mediul intern al organismului).

Din punct de vedere al metalului din care este confecţionat electrodul, uşurinţa cu care acesta cedează electroni spre electrolit este în funcţie de pH-ul electrolitului (din cauza ionilor de H care participă la reacţiile de oxidoreducere) şi de ionii metalici aflaţi în electrolit în raport cu metalul electrodului.Dacă în electrolit există ioni ai metalului din care este confecţionat electrodul (electrodul din metalul M, iar in electrolit cationi M+ cu activitatea a) se poate măsura, considerând un al doilea electrod de referinţa introdus în soluţie, o tensiune electromotoare: E = VM|M+ - Vegală cu diferenţa dintre potenţialul de electrod al metalului VM|M+ şi potenţialul electrodului de referinţă. Definim un electrod de referinţă, electrodul la care convenţional se accepta Vr = 0, şi faţă de care se pot măsura potenţialele de electrod ale diferitelor metale.

Drept electrod de referinţă a fost ales electrodul de hidrogen deoarece spre deosebire de reacţia de oxidoreducere care are loc la electrodul metalic, la electrodul de hidrogen reacţia de oxidoreducere nu dă un metal solid în echilibru cu ionul său.

Metalele au fost clasificate în funcţie de uşurinţa cu care acestea cedează electroni în raport cu electrodul de hidrogen. Astfel metalele comune au potenţiale de oxidare pozitive mari cedînd uşor electroni şi devenind ioni. Metalele nobile au potenţiale de oxidare mici formînd greu ioni.

Material Potenţialoţel 0,60platină 1,93fibre de carbon 0,08silicon conductiv 2,86

33

oţel inoxidabil 1,24zinc 1,19argint 1,26Ag/AgCl 0,01aluminiu 0,62Cupru 0,96

Electrozii reversibili sau impolarizabili sunt electrozi la care forţa electromotoare rezultată din potenţialele electrochimice este compensată. Nu are loc nici o reacţie chmică.

Electrozii reversibili sunt:- electrozi din metal în contact cu un electrolit ce conţine proprii săi ioni: M <=> M+ + e-

formula electrodului fiind M | M+. - electrozi din nemetal în contact cu un electrolit ce conţine proprii săi ioni. Electrodul de

hidrogen, dar şi O2 şi Cl2: 2

1H2 <=> H+ + e-

- electrozi compuşi dintr-un metal şi o sare greu solubilă a acestuia, iar electrolitul (sare sau acid) cu anion comun cu sarea metalului.

Cel mai utilizat electrod impolarizabil este :Ag | AgCl | HCl sau Ag | AgCl | NaCl

Au loc reacţiile reversibile:Ag <=> Ag+ + e-

Ag+ + Cl- <=> AgClsau ca o reacţie globală:

Ag + Cl- <=>AgCl + e-

Electrodul Ag | AgCl are potenţialul de 0,222 V.Deci, se numeşte electrod reversibil, electrodul la interfaţa căruia cu electrolitul are loc atât recaţia de oxidare (pierdere de electroni), cât şi reacţia de reducere (acceptare de electroni).Electrozii ireversibili sau polarizabili sunt electrozii la care la interfaţa cu electrolitul au loc reacţii ireversibile, deşi global, la sistemul electrod – electrolit reacţia de oxidare are loc în aceeaşi măsură cu reacţia de reducere.În primul moment, când cei doi electrozi sunt conectaţi pe / în electrolit pentru măsurare, forţa electromotoare este egală cu suma algebrica a potenţialelor celor doi electrozi, activitatea electrolitului şi temperatura. Această forţă electromotoare scade în timp la electrozii ireversibili, deoarece electrozi metalici împreună cu electrolitul şi produşii de reacţie din vecinătatea unui electrod generează o forţă electromotoare opusă celei iniţiale, micşorând-o pe aceasta sau chiar anihilând-o.În realitate şi aşa numiţii electrozi reversibili nu sunt perfect reversibili, deoarece reacţia nu este perfect reversibilă la interfaţa unui electrod cu electrolitul. Reacţia este o oxidare sau o reducere, în funcţie de diferenţa între potenţialele celor doi electrozi şi de ţesutul pe care sunt conectaţi cei doi electrozi (concentraţiile ionilor de diverse tipuri, activitatea ionior).Influenţa activităţii ionilor asupra potenţialelor de electrod se pot vedea în tabelul 2.1.

Metal red.oxid Concentraţia electrolit

Potenţial de electrod

Coeficient de temperatură [mV / °C]

Ag | AgCl | Cl- 0,01 MKCl - 0,343 + 0,617Ag | AgCl | Cl- 0,1 MKCl - 0,288 + 0,431Ag | AgCl | Cl- 1,0 MKCl - 0,235 + 0,250

Tabel 2.1 Potenţialul electrochimic al electrodului compus Ag | AgCl | Cl- la diferitele concentraţii ale electrolitului KCl şi coeficient de temperatură

Impedanţa şi zgomotul electrozilor.

44

Impedanţa pe care o prezintă un electrod în circuitul de măsurare a fenomenului bioelectric depinde de natura stratului dublu electric format la interfaţa cu ţesutul, de aceea este numită impedanţă de polarizare. În circuitul de culegere şi măsurare a biopotenţialelor prin impedanţa celor doi electrozi, impedanţa ţesutului şi impedanţa de intrare în preamplificator va trece un curent determinat de fenomenele bioelectrice din ţesut. Deoarece impedanţa de intrare în preamplificator este mare, curentul prin circuitul de măsurare este mic, iar căderea de tensiune pe impedanţa electrozilor este de obicei neglijabilă. Totuşi, trebuie ţinut seama de impedanţele care intervin pentru a alege corespunzător caracteristicile amplificatorului privind amplitudinea şi frecvenţa semnalului.

În sens conceptual, o interfaţă electrod - ţesut se echivalează cu o sursă de tensiune (potenţialul de electrod) şi un condensator, datorită stratului dublu electric. Distanţa dintre sarcinile electrice de semne opuse la această interfaţă este de dimensiuni moleculare, astfel încât capacitatea pe unitatea de suprafaţă a electrodului este într-adevar mare (10 μF/cm2). Cu toate acestea, este bine cunoscut că poate trece curent prin joncţiunea electrod - ţesut, deci orice model electric pentru o astfel de interfaţă trebuie să includă şi o rezistenţă, Rf, în paralel cu condensatorul (Fig. 2.3).

Având componente capacitive, impedanţa unei perechi de electrozi plasaţi pe suprafaţa unui ţesut va fi dependentă de frecvenţa semnalului bioelectric şi anume va scădea cu creşterea frecvenţei.Potenţialul de electrod va fi o sursă de semnale perturbatoare, chiar în cazul în care cei doi electrozi cu care se face măsurarea sunt din aceleasi material, identici ca dimensiuni, în circuitul echivalent al unei perechi de elecrozi va exista o tensiune continuă egală cu diferenţa potenţialelor celor doi electrozi, deoarece este greu de realizat contacte perfect identice la ambele interfeţe şi stabile în timp. Stabilitatea electrică a unui electrod este dictată şi de stabilitatea stratului dublu electric şi de mărimea în valoare absolută a potenţialului de electrod.

Fig. 2.3: Circuitul echivalent al interfeţei electrod de suprafaţă – ţesut în măsurările biomedicalePentru electrodul compus Ag | AgCl | Cl-, la care potenţialul de electrod este E = 0,222 V, mic în comparafie cu alte potenţiale de electrod, şi fluctuaţiile în timp ale proceselor electrochimice de la interfaţă sunt reduse. În Fig 2.4 sunt prezentate tensiunile de zgomot ale unui electrod din argint şi ale aceluiaşi electrod după clorurare.

Fig. 2.4: Tensiunea de zgomot măsurată pentru o pereche de electrozi din argint (a) şi Ag | AgCl | Cl- (b) într-o soluţie 0,9 % NaCl

55

În circuitul echivalent din Fig. 2.3, în serie cu impedanţa interfeţei unui electrod cu pielea, trebuie adăugată impedanţa pe care o introduce pielea, care, în general, depăşeşte câţiva kiloohmi. Impedanţa electrozilor Ag | AgCl este de obicei neglijabilă. Atunci când se efectuează măsurări directe pe organe interne sau ţesuturi, impedanţa electrozilor din Ag | AgCl nu mai poate fi neglijată faţa de impedanţa dată de ţesuturi între electrozi. De aceea, s-au cautat procedee de micşorare a impedanţei electrozilor, mai ales la frecvenţe joase (frecvenţele componentelor electrogramelor) şi aceasta prin mărirea suprafeţelor active ale electrozilor. O corodare a unor canale superficiale în stratul de AgCl depus pe electrodul: de Ag ar mări artificial suprafaţa activa de contact cu electrolitul (ţesutul), ar îndepărta din canale AgCl, astfel că rezistivitatea scăzută a Ag va înlocui rezistivitatea mare a AgCl, determinând o scădere considerabila a impedanţei electrodului de AgCl.

TRADUCTOARETraductoarele sunt dispozitive ce au rolul de a stabili o corespondenţă între o mărime de

măsurat aptă de a fi prelucrată de echipamentele de prelucrare automată a datelor. Acest lucru se realizează prin transformarea, convertirea, mărimii fizice de măsurat într-o altă mărime fizică (de obicei o mărime neelectrică într-o mărime electrică) sau în aceeaşi mărime fizică cu schimbarea parametrilor acesteia (de exemplu o mărime electrică în altă mărime electrică dar cu alţi parametri de variaţie).

Un traductor este în general constituit din două blocuri principale: elementul sensibil (detectorul) care transformă mărimea de măsurat de intrare într-o mărime intermediară şi convertorul de ieşire (adaptorul) prin care mărimea intermediară se transformă într-o mărime de ieşire ce poate fi observată sau prelucrată mai uşor în cadrul sistemului de conducere. Convertorul de ieşire are totodată rolul de a realiza şi o adaptare cu celelalte elemente din cadrul sistemului de conducere cu care este cuplat.

Fig.2.14: Schema bloc a unui traductor

Clasificarea traductoarelorUn prim criteriu de clasificare a traductoarelor este după forma semnalului de ieşire în care este convertit semnalul de intrare. În acest sens deosebim traductoare analogice, la care semnalul de ieşire are o variaţie continuă şi traductoare numerice, la care semnalul de ieşire are o variaţie discontinuă.Criteriul principal de clasificare este cel în funcţie de mărimea de intrare şi de ieşire. În practică, definirea traductoarelor se face atât în funcţie de mărimea de intrare cât şi în funcţie de cea de ieşire. Formarea semnalului de ieşire este doar o problemă de conversie dacă informaţia primară se referă la mărimi care implică o energie dezvoltată în cursul fenomenului studiat sau acţionează asupra traductorului (de ex. forţă, presiune, temperatură etc.). Dacă se urmăreşte determinarea unor proprietăţi de material este necesar să se introducă în sistem o energie exterioară de activare, determinându-se efectele interacţiunii dintre aceasta şi materialul studiat.În funcţie de mărimea de intrare traductoarele se pot clasifica în:

•• Electrice: frecvenţă, curent, fază, tensiune, putere•• Neelectrice: nivel , debit, deplasare, viteză, acceleraţie,

temperatură, presiune

66

Element sensibil (detector)

Convertor de ieşire (adaptor)

xx rr yy

(Temperatură, forţă, etc.)(Temperatură, forţă, etc.) (Deplasare liniară, rotaţie, etc.)(Deplasare liniară, rotaţie, etc.) (Tensiune, curent, etc.)(Tensiune, curent, etc.)

În funcţie de mărimea de ieşire traductoarele se pot clasifica în:• Parametrice

• Rezistive: reostatice,termorezistive,tensometrice,electrolitice• Inductive: de înaltă frecvenţă,de joasă frecvenţă• Capacitive: cu suprafaţa armăturilor variabilă,cu distanţa dintre armături variabilă, cu

modificarea permitivităţii dielectricului•• Generatoare: inducţie, piezoelectrice, termoelectrice, pH-metrice, efect Hall

Traductoarele parametrice sunt acele traductoare în care sub influenţa mărimii de inrare se modifică după o lege bine determinată unul din parametrii electrici ai circuitului traductorului. Pentru detectarea acestei modificări traductorul necesită o sursă de energie auxiliară şi o schemă de măsură a parametrului care se modifică.

Traductoarele generatoare sunt dispozitive în care mărimea de intrare este transformată într-o tensiune electromotoare ce poate fi utilizată nemijlocit de sistemul de conducere. Aceste traductoare nu necesită surse de alimentare exterioare.

a) Traductoare parametrice rezistive Principiul de funcţionare al acestor traductoare constă în modificarea rezistentei R a unui rezistor. Sub acţiunea intrării se produce modificarea unuia din parametrii care intervin în relaţia rezistenţei unui conductor:

S

lR ρ=

unde: ρ = rezistivitatea (Ω mm2/m); l = lungimea (m); S = secţiunea (mm2)

Traductoarele tensometrice – sunt destinate măsurării unor eforturi sau deformaţii şi au ca principiu de funcţionare variaţia atât a lungimii cât şi a secţiunii unui fir sau filament din material conductor sau semiconductor.

Fig. 2.15: Marca tensometrica

Aceste traductoare, deşi au o sensibilitate mică şi unele greutăţi în modul practic de utilizare (lipirea tensometrului pe corpul de studiat, sensibilitate la umiditate), au avantajul unui preţ de cost scăzut, frecvenţă mare de lucru şi erori mici. Pentru compensarea erorilor se utilizează montaje în punte. Pe un braţ al punţii se montează tensometrului activ iar pe un alt braţ tensometrul compensator. Se utilizează două metode de măsurători statice: prin deviaţie şi prin metoda de zero.

77

a) b)Fig. 2.16: Montarea marcilor tensometrice în montajul în punte

Senzitivitatea mărcilor tensometrice este caracterizată de factorul G. În mărcile tensometrice filiforme variaţia relativă a rezistenţei este de două ori mai mare decît variaţia relativă a lungimii. Aceasta înseamnă că dacă un material este întins cu 0,1% faţă de lungimea iniţială, modificarea rezistenţei mărcii tensometrice va fi de 0,2% din valoarea rezistenţei iniţiale.

Modificările de rezistenţă ale mărcilor tensometrice corespunzătoare forţei aplicate, sînt măsurate prin intermediul unui circuit in punţe Wheatstone. Puntea W. fiind formată din patru elemente rezistive, se recomandă ca mărcile tensometrice să fie ataşate perechi pe cele două feţe ale benzii elastice.

Alimentarea punţii pe una din diagonalele sale se poate face fie în curent continuu fie în curent alternativ . Mărcile tensometrice au de obicei o rezistenţă de 120 Ohmi fiecare şi pot fi conectate la o sursă de 6 - 12 V dacă sînt aplicate pe o bandă elastică metalică, aceasta fiind capabilă să disipe căldura generată de mărci.. dacă mărcile tensometrice sînt aplicate pe materiale izolatoare termic (plastic), tensiunea aplicată nu va depăşi 1 V. ; în caz contrar rezistenţa bazală se va modifica prin încălzirea excesivă.

Pe cealaltă diagonală a punţii (diagonala de măsură) se culege un potenţial care este direct proporţional cu forţa aplicată. Ieşirea punţii ( de ordinul a cîţiva milivolţi) este apoi amplificată şi înregistrată. Rezistenţa internă a punţii poate fi uşor calculată cu ajutorul legii lui Kirchhoff pentru rezistenţele în serie şi paralel. Pentru mărcile tensometrice cu valoarea nominală de 120 Ohmi, rezistenţa totală a punţii este de 120 Ohmi.

Conectarea în punte a mărcilor tensometrice face ca modificările de rezistenţă ale fiecărei mărci să se sumeze, sensibilitatea fiecărui element din punte fiind în acest fel multiplicat cu patru..Traductoare reostatice – la care variaţia rezistenţei R se realizează prin modificarea lungimii rezistorului. Sunt folosite pentru măsurarea unor deplasări liniare sau unghiulare sau a altor mărimi ce se pot transforma în aceste deplasări.Funcţionarea traductorului reostatic liniar se poate exprima prin relaţia:

yl

RR o

y =

unde: y = deplasarea cursorului; l = lungimea bobinajului; Ro = rezistenţa totală a rezistorului bobinat.

În cazul traductoarelor reostatice unghiulare relaţia este similară cu menţiunea că y reprezintă o deplasare unghiulară.

yR

R oy α

= unde α este unghiul maxim de rotaţie al cursorului.

88

Potenţiometrele rotative reprezintă rezistenţe variabile. Variantele speciale, cu frecare foarte mică, pot fi utilizate pentru măsurarea unui domeniu larg de deplasări şi unghiuri de rotaţie. Axul potenţiometrului este utilizat ca pivot al unei pîrghii. Acest tip de traductoare nu necesită sisteme de amplificare a semnalelor, reprezintînd o alternativă foarte ieftină, dar sensibilitatea lor este limitată.

Traductoare parametrice inductiveTraductoarele inductive sunt realizate din una sau mai multe bobine cu miez de fier sau aer a căror inductanţe variază sub acţiunea mărimii de intrare. Se întâlnesc trei tipuri constructive de traductoare:

• traductoare cu intrefier variabil• traductoare tip transformator• traductoare cu miez mobil

Traductoarele cu intrefier variabil – se bazează pe modificarea lungimii intrefierului sub acţiunea mărimii de intrare. Se cunoaşte că intensitatea curentului prin înfăşurarea traductorului este dată de

relaţia: 2x

22xLR

UI

ω+= şi cum Lx depinde invers proporţional cu lungimea intrefierului rezultă ca

intensitatea va creşte la mărirea intrefierului.Traductoarele acestea au sensibilitatea foarte mare dar caracteristica statică este neliniară şi ca urmare domeniul de utilizare este foarte restrâns. Pentru îmbunătăţirea performanţelor acestor traductoare se folosesc montaje diferenţiale in punte. Puntea se echilibrează astfel încât în absenţa forţei curentul Ix să fie zero. Aceste traductoare sunt sensibile şi la semnul forţei care acţionează asupra traductorului.Traductoare de tip transformator – se prezintă sub forma a două înfăşurări a căror inductanţă mutuală poate fi modificată sub acţiunea mărimii de intrare, fir prin modificarea poziţiei miezului sau întrefierului, fie prin modificarea poziţiei înfăşurării primare printr-o mişcare liniară sau de rotaţie. Sub acţiunea mărimii de intrare (de ex. o forţă) se modifică inductanţa magnetică a traductorului şi deci fluxul magnetic. Acesta din urmă induce în bobina secundară o tensiune a cărei valoare efectivă depinde de fluxul maxim în miez şi frecvenţa tensiunii din primar.Aceste traductoare prezintă avantajul separării galvanice a circuitelor de intrare şi ieşire.Traductoare cu miez mobil – constau dintr-o bobină cu miez mobil care este acţionat de către mărimea de intrare. Traductoarele de acest tip sunt utilizate de obicei în convertirea deplasărilor mecanice într-o mărime electrică. Întru-cât caracteristica statică este neliniară se foloseşte un montaj diferenţial. Sunt de obicei realizate cu ajutorul unui miez feromagnetic care se deplasează în interiorul unei bobine. Bobina este realizată din două jumătăţi care realizează un circuit punte împreună cu două rezistenţe. Puntea este de obicei alimentată cu curent alternativ de 5kHz, fiind denumită punte cu frecvenţă purtătoare.

Traductoare parametrice capacitivePrincipiul de funcţionare al traductoarelor capacitive se bazează pe modificarea capacităţii

unui condensator ca urmare a acţiunii mărimii de intrare asupra distanţei dintre armături, a modificării suprafeţei armăturilor sau a permitivităţii dielectricului. Cel mai simplu tip de traductor capacitiv constă din două plăci metalice paralele, deplasarea uneia dintre plăci modificînd capacitatea. Deoarece modificarea de capacitate într-un astfel de traductor este foarte mică (< 1 pF), se poate utiliza un material izolator ce serveşte ca dielectric variabil între cele două plăci fixe. Modificările de capacitate pot fi mai mari utilizînd mai multe plăci. Măsurarea variaţiilor de capacitate se face cu ajutorul unei punţi în curent alternativ.

99

Fig. 2.17: Traductoare parametrice capacitive

Traductoare cu distanţa dintre placi variabilă – elementul sensibil constă dintr-un condensator care are una dintre armături fixă şi alta mobilă, ultima putându-se deplasa sub acţiunea mărimii de intrare.Traductoare cu suprafaţa de suprapunere a armăturilor variabilă – elementul sensibil este format din două plăci plan paralele din care una fixă şi alta glisantă sub acţiunea mărimii de intrare.Traductoare cu variaţia dielectricului – elementul sensibil este un condensator care are dielectric din aer între plăcile căruia se introduce o placă dielectrică de o anumită grosime şi care are permitivitatea diferită de cea a aerului. Apare astfel o modificare a capacitătii condensatorului. Avantajul acestor traductoare este că nu au contacte mecanice în mişcare dar introduc erori deoarece capacitatea variază cu temperatura mediului ambiant.

Traductoare generatoareTraductoarele generatoare sunt realizate în mai multe variante în funcţie de principiul care stă la baza transformării mărimii de intrare într-o tensiune electromotoare.Traductoare de inducţie – principiul acestor traductoare constă în inducerea unei tensiuni electromotoare e într-un circuit conductor ce taie liniile de forţă ale unui câmp magnetic de inducţie B [T] conform relaţiei:

vlBe ⋅⋅=unde: v = viteza circuitului conductor în m/s

l = lungimea circuitului în mPe acest principiu se obţin tahogeneratoare, vibrometre, debitmetre, etc.Traductoare termoelectrice (termocupluri) – principiul acestor traductoare se bazează pe efectul termoelectric care constă în apariţia unei tensiuni electromotoare la modificarea temperaturii unui contact.Traductoare Hall – se bazează pe efectul Hall care constă în producerea unei tensiuni de către o plăcuţă semiconductoare plasată într-un câmp de inducţie B şi alimentată de un curent de comandă.

Traductoare numericeLa acest tip de traductoare mărimea de ieşire este de tip discret. mărimea analogică măsurată

este convertită într-un semnal codificat, exprimat direct in formă numerică. Codificarea constă din cuantificarea mărimii de măsurat analogice, adică din aproximarea acesteia prin elementele unei mulţimi finite de valori. Suportul fizic ce permite realizarea unei cuantificări poate fi constituit din starea instantanee a unor elemente electronice de circuit sau din poziţia contactelor unui grup de relee. Traductoarele numerice funcţionează după principiul discretizării în timp sau al eşantionării conform căruia mărimea analogică ce trebuie măsurată determină la ieşirea traductorului variaţii la momente discrete de timp, şi nu continui. Principalele avantaje ale măsurării numerice constau în:

• precizia foarte bună de măsurare• posibilitatea implementării unor sisteme de reglare digitale în care achiziţia datelor să fie

compatibilă cu structura sistemului• reducerea erorilor de transmisie la distanţă a valorilor măsurate

1010